[논문 리뷰] Multiscale Network Model for Fibrin Fibers and Fibrin Clot with Protofibril Binding Mechanics

Sumith Yesudasan, Rodney D. Averett|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 13.

Blood properties and coagulation참고 문헌 22인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 원자적 시뮬레이션 데이터와 실험 데이터를 통합하여 섬유성 혈전의 비선형 기계적 거동을 시뮬레이션하는 다스케일 네트워크 모델을 제안한다. 프로토플라스미드를 유착력이 있는 비선형 스프링 네트워크로 모델링함으로써, 단일 섬유와 연속체 수준의 혈전에 대한 힘-변형 곡선을 정확히 예측하며, 이는 웜-유사 체인 행동에서의 이탈을 설명하고 소형에서 대형 변형에 이르기까지 근처 파손 상태까지도 예측 능력을 검증한다.

ABSTRACT

The multiscale behavior of the individual fibrin fibers and fibrin clots is modeled by coupling atomistic simulation data and microscopic experimental data. We propose a protofibril element made up of nonlinear spring network, constructed based on the molecular simulation and atomic force microscopy results to simulate the force extension behavior of fibrin fibers. This new network model also accounts for the complex interaction of protofibrils with each other, effect of presence of solvent, Coulombic attraction and other binding forces. The network model is applied to simulate the force extension behavior of single fibrin fiber from atomic force microscopy experiments and shows good agreement. Thus validated fibrin fiber network model is then combined with a modified version of Arruda-Boyce eight chain model to estimate the force extension behavior of continuum level fibrin clot, which shows very good correlation. The results show that this network model is able to predict the behavior of fibrin fibers as well as fibrin clot at small strains, large strains and even closer to the break strain. We use the network model to explain why the fibrin clots and fibers doesn't behave like a worm like chain, instead behaves like a nonlinear spring.

연구 동기 및 목표

• 다양한 길이 척도와 시간 척도에서 섬유성 혈전의 기계적 거동을 포괄적으로 기록하는 예측 가능한 다스케일 모델을 개발하기 위해.
• 섬유성 혈전이 왜 웜-유사 체인 행동을 따르지 않고 오히려 비선형 스프링 유사 기계적 거동을 보이는지 설명하기 위해.
• 원자적 시뮬레이션 데이터와 원자력 현미경(AFM) 실험 데이터를 통합한 유일한 기계적 네트워크 모델을 구축하기 위해.
• 프로토플라스미드 유착, 용매 효과, 쿠론 상호작용과 같은 복잡한 상호작용을 기계적 거동에 반영하기 위해.
• 실험적 AFM 데이터와의 비교를 통해 모델의 예측 능력을 검증하고, 수정된 Arruda-Boyce 모델을 사용하여 연속체 수준의 혈전 기계적 거동으로 응용 범위를 확장하기 위해.

제안 방법

• 분자 동역학 시뮬레이션 데이터와 AFM 측정치를 바탕으로 프로토플라스미드 요소를 비선형 스프링 네트워크로 구성하기 위해.
• 쿠론 인력과 용매 효과를 포함한 유착력을 프로토플라스미드 네트워크 모델에 통합하기 위해.
• 검증된 프로토플라스미드 네트워크를 사용하여 단일 섬유성 혈전의 힘-변형 거동을 시뮬레이션하고 AFM 실험 결과와 비교하기 위해.
• 프로토플라스미드 네트워크 모델과 수정된 Arruda-Boyce 8체인 모델을 결합하여 연속체 수준의 섬유성 혈전 응고 기계적 거동을 시뮬레이션하기 위해.
• 소형, 대형, 근처 파손 변형 상태에서의 실험 데이터를 사용하여 모델 파라미터를 校정하여 일致성 확보하기 위해.
• 모의 힘-변형 곡선을 실험 관측 결과와 비교하여 모델의 예측 능력을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프로토플라스미드 상호작용과 유착 메커니즘이 섬유성 혈전의 비선형 탄성에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 기계적 하중 조건에서 섬유성 혈전 거동이 왜 웜-유사 체인 모델을 따르지 않는가?
• RQ3 다스케일 네트워크 모델이 생리적 변형 범위 내에서 단일 섬유성 혈전의 힘-변형 반응을 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ4 개별 섬유성 혈전의 기계적 성질을 어떻게 상향 스케일링하여 연속체 수준의 혈전 거동을 예측할 수 있는가?
• RQ5 용매 효과와 전기적 힘은 섬유성 네트워크의 기계적 거동에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 프로토플라스미드 네트워크 모델은 원자력 현미경으로 측정된 단일 섬유성 혈전의 힘-변형 거동을 성공적으로 재현한다.
• 모델은 프로토플라스미드 간 유착과 구조 재편성으로 인해 섬유성 혈전이 웜-유사 체인 행동이 아닌 비선형 스프링 유사 기계적 거동을 보임을 입증한다.
• 쿠론 인력과 용매 효과를 포함시킴으로써 모델의 기계적 반응 캡처 정확도가 크게 향상된다.
• 프로토플라스미드 네트워크와 수정된 Arruda-Boyce 8체인 모델을 융합한 하이브리드 모델은 연속체 척도에서 혈전에 대한 실험 데이터와 강한 상관관계를 보인다.
• 모델은 소형 변형, 대형 변형, 근처 파손 변형까지도 기계적 거동을 정확히 예측하여 광범위한 변형 범위에서의 강건성을 입증한다.
• 검증된 모델은 프로토플라스미드 네트워크 재편성과 유착력에 의해 기계적 내성의 기계적 메커니즘을 설명한다.